直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)概述

　　1 引 言

　　隨著風電機組單機容量的增大，雙饋型風電系統(tǒng)中齒輪箱的高速傳動部件故障問題日益突出，于是沒有齒輪箱而將主軸與低速多極同步發(fā)電機直接連接的直驅(qū)式布局應運而生;從中長期來看，直驅(qū)型和半直驅(qū)型傳動系統(tǒng)將逐步在大型風電機組中占有更大比例，另外在傳動系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計和緊湊型結(jié)構(gòu)是未來大型風電機組的發(fā)展趨勢。在大功率變流技術(shù)和高性能永磁材料日益發(fā)展完善的背景下，大型風電機組越來越多地采用pmsg，pmsg不從電網(wǎng)吸收無功功率，無需勵磁繞組和直流電源，也不需要滑環(huán)碳刷，結(jié)構(gòu)簡單且技術(shù)可靠性高，對電網(wǎng)運行影響小。pmsg與全功率變流器結(jié)合可以顯著改善電能質(zhì)量，減輕對低壓電網(wǎng)的沖擊，保障風電并網(wǎng)后的電網(wǎng)可靠性和安全性，與雙饋型機組(變流器容量通常為1/3風電機組額定功率)相比，全功率變流器更容易實現(xiàn)低電壓穿越等功能，更容易滿足電網(wǎng)對風電并網(wǎng)日益嚴格的要求。

　　中國風電行業(yè)發(fā)展迅速，但與國際發(fā)展水平還有很大差距，目前主要依靠進口，對外依賴性強;基于pmsg和背靠背雙pwm變流器的直驅(qū)型風電系統(tǒng)是一種發(fā)展很快的技術(shù)，具有優(yōu)良的性能，國外大型風電廠商已有成熟的直驅(qū)風電產(chǎn)品，國內(nèi)在理論研究與產(chǎn)品性能方面，都還亟需提高與改進，因此很有必要對其涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

　　2 直接驅(qū)動型風力發(fā)電系統(tǒng)介紹

　　圖1是典型的永磁直驅(qū)型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，包括永磁同步發(fā)電機(pmsg)和全功率背靠背雙pwm變流器，無齒輪箱。pmsg通過全功率變流器直接與電網(wǎng)連接，通常極對數(shù)較多，低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩，徑向尺寸較大，軸向尺寸較小，呈圓環(huán)狀;由于省去了齒輪箱，從而簡化了傳動鏈，提高了系統(tǒng)效率，降低了機械噪聲，減小了維修量，提高了機組的壽命和運行可靠性;發(fā)電機通過變流器與電網(wǎng)隔離，因此其應對電網(wǎng)故障的能力更強，與dfig風電系統(tǒng)相比，更容易實現(xiàn)低電壓穿越功能。但是永磁材料目前的成本仍然較高;變流器容量較大，損耗較大，變流器的成本較高。理論上永磁體在高溫時存在失磁的風險，但是近年來隨著永磁材料性能的不斷提高、價格的下降，pmsg+全功率變流器已經(jīng)成為一種很有吸引力和應用前景的方案[3-4]。目前，zephyros，mitsubishi，新疆金風等在市場上有這類產(chǎn)品。

　　針對圖1的pmsg直驅(qū)型風電系統(tǒng)，還可以采用電勵磁同步發(fā)電機(electrically excited synchronous generator，eesc)，通常在轉(zhuǎn)子側(cè)進行直流勵磁。使用eesc相比使用pmsg的優(yōu)勢在于，轉(zhuǎn)子勵磁電流可控，可以控制磁鏈在不同功率段獲得最小損耗;而且不需要使用成本較高的永磁材料，也避免了永磁體失磁的風險，enercon公司主要經(jīng)營這類產(chǎn)品。但是eesc需要為勵磁繞組提供空間，會使電機尺寸更大，轉(zhuǎn)子繞組直流勵磁需要滑環(huán)和電刷。pmsg由于不是標準產(chǎn)品，在尺寸及結(jié)構(gòu)上有很大的靈活性，根據(jù)磁通分布可以分為以下幾類：徑向磁通永磁電機(radial flux pm machine，rfpm)、軸向磁通(axial flux pm machine，afpm)和橫向磁通(transversal flux pm machine，tfpm)，其中rfpm結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)固，功率密度更高，在大功率直驅(qū)型風電系統(tǒng)中得到了較多應用。

　　目前市場上已有的直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品，根據(jù)發(fā)電機類型、額定功率和轉(zhuǎn)速以及廠家的不同，可以匯總得到表1。

　　表2給出了幾個廠家直驅(qū)風力發(fā)電機的比較，包括風力發(fā)電機類型、轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)矩、直徑、總質(zhì)量、質(zhì)量轉(zhuǎn)矩比等。

　　3 直驅(qū)風電變流器

　　電力電子變流器作為風力發(fā)電與電網(wǎng)的接口，作用非常重要，既要對風力發(fā)電機進行控制，又要向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)電能，還要實現(xiàn)低電壓穿越等功能;隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展和風電機組單機容量的不斷增大，變流器的容量也要隨之增大，因此大容量多電平變流器也開始得到應用，以下將對一些典型變流器拓撲結(jié)構(gòu)進行討論。

　　從圖1中可以看到，典型的永磁直驅(qū)變速恒頻風電系統(tǒng)中，采用背靠背雙pwm變流器，包括電機側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器，能量可以雙向流動。對pmsg直驅(qū)系統(tǒng)，電機側(cè)pwm變流器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的dq軸電流，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及電機勵磁與轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)，額定風速以下具有最大風能捕獲功能。電網(wǎng)側(cè)pwm變流器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的dq軸電流，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制，控制流向電網(wǎng)的無功功率，通常運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，還要提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。背靠背雙pwm變流器是目前風電系統(tǒng)中常見的一種拓撲，國內(nèi)外對其研究較多，主要集中在變流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面[8-9]。國外公司如abb、alstom，國內(nèi)公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產(chǎn)品。

　　對直驅(qū)型風電系統(tǒng)，變流器拓撲的選擇較多。圖2是不控整流+boost變換器+逆變拓撲結(jié)構(gòu)，通過boost變換器實現(xiàn)輸入側(cè)功率因數(shù)校正(power factor correction，pfc)，提高發(fā)電機的運行效率，保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，對pmsg的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)變速恒頻運行，在額定風速以下具有最大風能捕獲功能。國外enercon公司的直驅(qū)風電系統(tǒng)e82(2mw)、國內(nèi)合肥陽光電源的小型并網(wǎng)風力機變流器使用這種拓撲。

　　隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，因此多電平變流器拓撲得到了廣泛關(guān)注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級(臺階)的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。圖3是直驅(qū)風電系統(tǒng)中三電平背靠背雙pwm變流器拓撲，與兩電平雙pwm變流器相比，功率器件和電容增加了一倍，并額外增加了箝位二極管;直流側(cè)電容由兩個完全一樣的電容串聯(lián)組成，電容的中點作為變換器的箝位點，由網(wǎng)側(cè)變換器保持直流側(cè)兩個電容的電壓均衡。這種結(jié)構(gòu)在風電中的應用目前已經(jīng)比較成熟，對其的研究很多，主要集中在控制策略的優(yōu)化上[11-12]。目前，世界范圍內(nèi)從事大功率風力發(fā)電用變流器和高壓變頻器研制的一些公司，都有多電平的產(chǎn)品方案;abb用于風力發(fā)電的變流器如acs1000，整流器采用12脈沖二極管整流，逆變器采用三電平npc結(jié)構(gòu)，器件采用igct;siemens也有相似的應用，功率器件采用高壓igbt;法國alstom公司采用飛跨電容型四電平拓撲，功率器件采用igbt，另外還基于igct開發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器。

　　4 國外直驅(qū)風電產(chǎn)品及應用

　　直驅(qū)風力發(fā)電技術(shù)是近年發(fā)展起來的先進技術(shù)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，是未來風電技術(shù)的發(fā)展方向，目前國外生產(chǎn)直驅(qū)風電產(chǎn)品的幾大廠家有enercon、ge、abb、siemens等。

　　enercon公司直驅(qū)風電機組采用電勵磁同步發(fā)電機，直驅(qū)環(huán)形發(fā)電機，無齒輪箱，采用enercon變流器;其中e70額定功率為2300kw，轉(zhuǎn)速范圍為6~21.5r/min，e82額定功率為2000kw，轉(zhuǎn)速范圍為6~19.5r/min。enercon風電機組當電網(wǎng)出現(xiàn)問題時，可以保持并網(wǎng)，如果需要，當故障出現(xiàn)時風電機組還能通過輸送無功功率，實現(xiàn)支持電網(wǎng)電壓的功能，在故障被修復、電網(wǎng)電壓已經(jīng)恢復后，風電機組立刻恢復供電;文獻[13]提供了enercon直驅(qū)同步電機系統(tǒng)-e66的仿真和測試結(jié)果，傳遞到電網(wǎng)的短路電流值只取決于變流器系統(tǒng)的功率等級并且可以控制，提供了電網(wǎng)短路期間系統(tǒng)輸出的有功功率曲線;風電機組在故障期間提供減少的功率輸出，在故障消除后，立刻傳送額定功率，剩余的發(fā)電機功率不能被傳送到電網(wǎng)側(cè)，由于故障及隨之的電壓跌落，被轉(zhuǎn)化為附加電阻上的熱能，因此，故障對發(fā)電機機械力矩的影響被降到最低。

　　abb可以提供客戶定制的pmsg，功率范圍為500~5000kva，極對數(shù)為4~60甚至更多，轉(zhuǎn)速范圍0~2000r/min，可以適用于陸上或海上風電，轉(zhuǎn)子永磁材料采用釹鐵硼(ndfeb)。abb提供低速、中速與高速永磁同步電機，低速電機對應無齒輪箱直驅(qū)應用，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，維護量最少;中速電機對應半直驅(qū)應用，集成了低速齒輪箱，尺寸較小，維護量較少;高速電機類似于雙饋電機，具有較小的尺寸，但是沒有滑環(huán)，電機具有較少的維護量。multibridm5000海上風電機組使用pmsg與全功率變流器，額定輸出功率為5.5mva，電機轉(zhuǎn)速范圍為58.6~146.9r/min，包含一級行星齒輪，變速比為1:9.92，變流器具有四象限運行功能，輸出功率因數(shù)范圍-0.9至0.9，變流器冷卻方式為水冷，變流器總效率》97.5%;除此之外還有以下幾個特別的控制特征：對電網(wǎng)故障的“穿越功能”，無功控制能力，網(wǎng)側(cè)的“statcom功能”，持續(xù)和動態(tài)電壓控制;電機側(cè)變流器使用直接轉(zhuǎn)矩控制，具有快速控制、魯棒性、高可用性、高品質(zhì)等優(yōu)點。

　　ge風電的低電壓穿越技術(shù)能使風電機組在主要的電網(wǎng)故障發(fā)生時保持并網(wǎng)并向電網(wǎng)輸送無功功率，使風電機組能夠滿足和火力發(fā)電類似的傳輸可靠性標準。通過提高發(fā)電機組和控制設(shè)計，lvrt技術(shù)能使風電機組在出現(xiàn)嚴重電網(wǎng)擾動時可以不間斷運行;windvar技術(shù)能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在電網(wǎng)需要時快速向電網(wǎng)提供無功，減少電壓崩潰的危險，降低電網(wǎng)解列的影響，lvrt和windvar功能可以較好地提高風電機組運行的可靠性，確保風電作為一個“好鄰居”加入電網(wǎng)。通用電氣是在低電壓穿越與無功支持方面研究較早的公司，文獻[14]中說明了一種風力渦輪發(fā)電機控制系統(tǒng)，包括在各個發(fā)電機附近相對較快的電壓調(diào)整和在變電站處或風力發(fā)電的場級處相對較慢的整體無功功率調(diào)整，無功調(diào)節(jié)通常以風電場接入點電壓水平為控制目標，利用風力發(fā)電機自身的無功能力達到控制電壓的目的，單臺風力渦輪發(fā)電機需要具備通過快速電壓控制調(diào)節(jié)自身輸出無功功率的功能，但是多臺發(fā)電機均自行調(diào)節(jié)輸出無功功率，可能加劇電壓的波動，因此該專利中引入了場級無功功率調(diào)節(jié)來協(xié)調(diào)多臺風力發(fā)電機的無功功率控制，獲得更好的風電場電壓控制效果。

　　從國外直驅(qū)風電產(chǎn)品及其應用來看，為適應新的電網(wǎng)規(guī)則對lvrt和無功支持的要求，都已將這些功能集成到其產(chǎn)品中，可見低電壓穿越與無功支持已經(jīng)成為大型風電機組必須具備的重要功能之一。

　　5 國內(nèi)直驅(qū)風電產(chǎn)品及應用

　　目前國內(nèi)從事永磁直驅(qū)風電產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)正在增多，有新疆金風科技、湘電風能、合肥陽光、許繼集團、北京科諾偉業(yè)和沈陽工業(yè)大學風能技術(shù)研究所等。國內(nèi)直驅(qū)風電機組的技術(shù)來源主要有以下幾類[15]：

　　(1)引進國外的設(shè)計圖紙和技術(shù)，或者與國外技術(shù)公司聯(lián)合設(shè)計，在國內(nèi)進行制造和生產(chǎn)，如金風科技引進的1200kw、1500kw風電機組，目前已在國內(nèi)批量生產(chǎn)和供貨;

　　(2)購買國外成熟的風電技術(shù)，在國內(nèi)進行許可生產(chǎn);

　　(3)與國外公司合資，引進國外的成熟技術(shù)在國內(nèi)進行生產(chǎn)，如湘電風能等公司;

　　(4)利用國內(nèi)大學和研究機構(gòu)自行設(shè)計的風電機組進行生產(chǎn)，如沈陽華創(chuàng)、北京科諾偉業(yè)等公司。以下對國內(nèi)公司直驅(qū)風電產(chǎn)品進行介紹與說明。

　　新疆金風直驅(qū)風力發(fā)電機組采用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機與igbt變流器，設(shè)計使用壽命20年。其中，金風82/1500kw，額定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速范圍為17.3(9-17.3)r/min，功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍為-0.98至0.98可調(diào)，額定出力的功率因數(shù)≥0.98，額定輸出電壓690v，輸出頻率變化范圍50±0.4hz;金風77/1500kw，額定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速范圍為17.3(9-19)r/min，功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍為-0.95至0.95可調(diào);金風70/1500kw，額定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速范圍為19(9-19)r/min，額定出力的功率因數(shù)≥0.98;金風1200kw，轉(zhuǎn)速范圍為11-20r/min，額定出力的功率因數(shù)≥0.98(可調(diào)節(jié)，可發(fā)無功)。

　　湘電風能的直驅(qū)風電機組采用永磁同步發(fā)電機(直驅(qū)-無齒輪箱)，具有效率高、系統(tǒng)可靠、維護簡單、噪聲小及上網(wǎng)電源質(zhì)量好等明顯優(yōu)勢。發(fā)電機是多極永磁發(fā)電機，直接安裝在輪轂上，由永磁體提供轉(zhuǎn)子勵磁，所以不需要外勵磁場，與帶外勵磁場的繞線轉(zhuǎn)子比較，發(fā)電機的損耗可降低25%;定子外部裝有冷卻風扇，由空氣冷卻;發(fā)電機通有經(jīng)過濾的干燥循環(huán)空氣，保證了發(fā)電機內(nèi)的溫度均勻，當密封處稍有泄漏時，保證發(fā)電機的內(nèi)部為正壓，因此灰塵和鹽霧不可能進入到發(fā)電機內(nèi)。其中z72/1500kw在額定功率時的轉(zhuǎn)速為18r/min，z72/2000kw在額定功率時的轉(zhuǎn)速為23r/min，z82/2000kw在額定功率時的轉(zhuǎn)速為19r/min。

　　北京科諾偉業(yè)科技有限公司的變速恒頻風力發(fā)電機組變流器(直驅(qū)式)，采用先進的dsp控制和大功率變流技術(shù)，實現(xiàn)風電機組低轉(zhuǎn)速變速運行，最大程度地吸收風能，主要應用于1mw、1.5mw、2.0mw直驅(qū)式變速恒頻風電機組;具有以下功能特點：大功率變流技術(shù)，模塊化并聯(lián)技術(shù)，最大風能捕獲技術(shù)，零沖擊并網(wǎng)控制，無速度傳感器控制技術(shù)和光纖隔離技術(shù)等。

　　合肥陽光電源全功率風力發(fā)電機組用變流器采用薄膜電容作為直流支撐電容，確保電容器20年壽命，具有四象限運行功能，確保風力機在低風速時多發(fā)電，模塊化設(shè)計，安裝維護方便，變流器冷卻方式為風冷。其中wg850kfp，wg1500kfp和wg2000kfp，額定功率分別為850kw，1500kw和2000kw，額定功率下的效率≥97%，響應時間《15ms，電網(wǎng)電壓690v(+10%~-20%)，電網(wǎng)頻率47.5~51.5hz。

　　許繼集團的fbl200系列風電機組變流器適用于2mw及以下直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，不僅適合于垂直軸風電機，而且也適用于水平軸風電機系統(tǒng)，變流器冷卻方式為強制風能或水冷。輸入交流線電壓有效值范圍：552v～828v(六相輸入，兩個三相繞組相位差30°)，輸入交流電壓頻率范圍：8~20hz;輸出電壓適應范圍：(1±10%)690v，輸出頻率適應范圍：(50±0.5)hz，輸出額定有功功率：1.5mw，輸出電流總畸變率：thd《5%，其中奇次諧波4%，偶次諧波2%。

　　沈陽工業(yè)大學風能技術(shù)研究所1.5mw直驅(qū)式、混合式變速恒頻風電機組采用永磁同步電機與全功率igbt變流器，電機冷卻方式為強制風冷，變流器冷卻方式為水冷，具有四象限運行功能。其中sut70-1500d為直驅(qū)型，無齒輪箱，轉(zhuǎn)速范圍為12-20r/min;sut70-1500h為混合型，半直驅(qū)，使用一級行星齒輪箱，變速比為1:8，轉(zhuǎn)速范圍為80-160r/min。

　　國內(nèi)直驅(qū)風電產(chǎn)品目前都還沒有考慮低電壓穿越功能，在性能與可靠性等方面與國外產(chǎn)品還有一定差距，目前我國還沒有相關(guān)風電機組低電壓運行的強制性要求，但是即將會有類似標準出臺，也說明了研究直驅(qū)風電機組變流器及其低電壓穿越技術(shù)具有一定的重要性與現(xiàn)實意義。

　　6 結(jié)束語

　　使用全功率變流器的直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)目前在國內(nèi)的應用越來越多，但對其關(guān)鍵技術(shù)的研究起步較晚，技術(shù)水平目前與世界先進水平尚有較大差距;隨著永磁材料價格的下降、永磁同步電機性能的提高以及風電機組單機容量的不斷增大，永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)在性能、可靠性和低電壓穿越方面逐漸具有一定的優(yōu)勢，對其所涉及技術(shù)的研究在掌握永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)自主知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)化方面具有非常重要的意義。